鱼雷在波浪中入水的数值模拟

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现代鱼雷多采用火箭助飞、飞机空投等方式来攻击目标,所以鱼雷运动都要经历空中、入水、水下这三个过程,其中入水过程由于涉及到固、液、气三者的相互耦合作用,因此成为许多学者研究的重点。同时现代海战向远海发展,恶劣海况不可避免,所以考虑波浪因素的影响十分必要。因此,研究鱼雷在波浪中入水的问题具有深远意义。论文的具体工作和主要研究成果如下:1)基于商业软件ANSYS平台,通过Fluent用户自定义程序,模拟了物块入水砰击的过程,验证了入水数值模拟方法的有效性。2)对静水中鱼雷入水情况进行了系列模拟。从气液两相图中可以看出,鱼雷的入水过程主要包括撞水、侵水、带空泡航行、全浸湿后运动四个阶段。文中定量分析了入水速度(v=10m/s,15m/s,20m/s,25m/s,30m/s)、入水角度(θ=15°,30°,45°,60°,75°)以及头部锥角(α=0°,3°,5°,10°,15°,20°,25°,30°)的影响。得到了砰击压力在鱼雷头部的分布情况、鱼雷头部砰击压力随速度和头部锥角的变化曲线、空泡的相对闭合深度h1/R与Froude数的关系曲线等。3)建立了二维数值水槽,实现了规则波的模拟。选取波形较好的区域,实现波浪中鱼雷垂直以及倾斜入水的过程。在波浪中入水的鱼雷也会经历静水中入水的四个阶段,但自由液面两侧的喷溅高度、包裹雷体的空泡形态以及速度场都不再对称。之后重点研究了波浪相位(波峰处、波谷处、平衡位置向上处以及平衡位置向下处)和波浪高度(H=1m、2m、3m、5m)的影响,得到了砰击压力随波高、波浪相位的变化曲线,鱼雷不同相位和不同波高下入水的水下弹道曲线和水下速度曲线。4)对满足缩尺比的鱼雷模型进行实验分析,通过高速相机捕捉到模型入水瞬间和水下过程,实验结果与前文数值模拟结果一致。通过实验结果,比较分析了鱼雷头型对空泡闭合方式的影响。
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